1 Ievads
Shēmas plates komplektā vispirms uz shēmas plates lodēšanas paliktņa tiek uzdrukāta lodēšanas pasta, un pēc tam tiek piestiprināti dažādi elektroniskie komponenti. Visbeidzot, pēc pārplūdes krāsns, skārda lodītes lodēšanas pastā tiek izkausētas un visa veida elektroniskie komponenti un shēmas plates lodēšanas paliktnis tiek sametināti kopā, lai realizētu elektrisko apakšmoduļu montāžu. virsmas montāžas tehnoloģiju (sMT) arvien vairāk izmanto augsta blīvuma iepakošanas produktos, piemēram, sistēmas līmeņa pakotnē (siP), ballgridarray (BGA) ierīcēs un jaudas tukšā mikroshēmā, kvadrātveida plakanā iepakojumā bez tapām (quad aatNo-lead, saukts par QFN). ) ierīci.
Ņemot vērā lodēšanas pastas metināšanas procesa un materiālu īpatnības, pēc šo lielo lodēšanas virsmu ierīču reflow metināšanas lodēšanas metināšanas zonā būs caurumi, kas ietekmēs izstrādājuma elektriskās īpašības, termiskās īpašības un mehāniskās īpašības. pat izraisīt produkta atteici, tāpēc, lai uzlabotu lodēšanas pastas reflow metināšanas dobums ir kļuvis par procesu un tehnisku problēmu, kas ir jāatrisina, daži pētnieki ir analizējuši un pētījuši BGA lodmetināšanas dobuma cēloņus un piedāvājuši uzlabojumus, parasto lodēšanu. pastas reflow metināšanas process metināšanas laukums QFN ir lielāks par 10 mm2 vai metināšanas laukums, kas lielāks par 6 mm2, trūkst tukšas skaidas šķīduma.
Izmantojiet Preformsolder metināšanu un vakuuma atteces krāsns metināšanu, lai uzlabotu metināšanas caurumu. Saliekamai lodēšanai ir nepieciešams īpašs aprīkojums, lai norādītu plūsmu. Piemēram, mikroshēma tiek nobīdīta un nopietni sasvērta pēc tam, kad mikroshēma ir novietota tieši uz saliekamās lodēšanas. Ja plūsmas montāžas mikroshēma ir pārpludināta un pēc tam vērsta, process tiek palielināts par divām atkārtotām plūsmām, un saliekamās lodēšanas un plūsmas materiāla izmaksas ir daudz augstākas nekā lodēšanas pastas.
Vakuuma atteces iekārtas ir dārgākas, neatkarīgās vakuuma kameras vakuuma jauda ir ļoti zema, izmaksu veiktspēja nav augsta, un alvas izšļakstīšanās problēma ir nopietna, kas ir svarīgs faktors augsta blīvuma un maza piķa pielietošanā. produktiem. Šajā rakstā, pamatojoties uz parasto lodēšanas pastas atkārtotas plūsmas metināšanas procesu, ir izstrādāts un ieviests jauns sekundāras atkārtotas plūsmas metināšanas process, lai uzlabotu metināšanas dobumu un atrisinātu problēmas, kas saistītas ar savienošanu un plastmasas blīvējuma plaisāšanu, ko izraisa metināšanas dobums.
2 Lodēšanas pastas drukāšanas reflow metināšanas dobums un ražošanas mehānisms
2.1 Metināšanas dobums
Pēc atkārtotas plūsmas metināšanas produkts tika pārbaudīts rentgena staros. Tika konstatēts, ka gaišākas krāsas caurumi metināšanas zonā radušies nepietiekama lodējuma dēļ metināšanas slānī, kā parādīts 1. attēlā.
Burbuļa cauruma rentgena noteikšana
2.2 Metināšanas dobuma veidošanās mehānisms
Ņemot par piemēru lodēšanas pastu sAC305, galvenais sastāvs un funkcija ir parādīta 1. tabulā. Fluss un alvas lodītes ir savienotas kopā pastas formā. Alvas lodmetāla svara attiecība pret plūsmu ir aptuveni 9:1, un tilpuma attiecība ir aptuveni 1:1.
Pēc tam, kad lodēšanas pasta ir izdrukāta un uzstādīta ar dažādiem elektroniskiem komponentiem, lodēšanas pasta tiks pakļauta četriem priekšsildīšanas, aktivizēšanas, atteces un dzesēšanas posmiem, kad tā iet caur atteces krāsni. Lodēšanas pastas stāvoklis arī atšķiras ar dažādām temperatūrām dažādos posmos, kā parādīts 2. attēlā.
Profila atsauce katrai pārplūdes lodēšanas zonai
Priekšsildīšanas un aktivizēšanas stadijā lodēšanas pastas plūsmā esošās gaistošās sastāvdaļas karsējot tiks iztvaikotas gāzē. Tajā pašā laikā, noņemot oksīdu uz metināšanas slāņa virsmas, tiks ražotas gāzes. Dažas no šīm gāzēm iztvaiko un atstās lodēšanas pastu, un lodēšanas lodītes būs cieši kondensētas plūsmas iztvaikošanas dēļ. Atteces stadijā lodēšanas pastā atlikušā plūsma ātri iztvaiko, alvas lodītes izkusīs, neliels daudzums gaistošās gāzes un lielākā gaisa daļa starp alvas lodītēm laikā netiks izkliedēta, un atlikums lodēšanas pastā izkausēta alva un zem izkausētās alvas nospriegojuma ir hamburgera sviestmaizes struktūra, un to satver shēmas plates lodēšanas paliktnis un elektroniskie komponenti, un šķidrajā alvā ietītā gāze ir grūti izplūst tikai ar augšupvērsto peldspēju. Augšējais kušanas laiks ir ļoti īss. Kad izkausēta alva atdziest un kļūst par cietu alvu, metināšanas slānī parādās poras un veidojas lodēšanas caurumi, kā parādīts 3. attēlā.
Lodēšanas pastas atkārtotas plūsmas metināšanas rezultātā radušos tukšumu shematiskā diagramma
Metināšanas dobuma galvenais cēlonis ir tas, ka gaiss vai gaistošā gāze, kas iesaiņota lodēšanas pastā pēc kausēšanas, netiek pilnībā izvadīta. Ietekmējošie faktori ietver lodēšanas pastas materiālu, lodēšanas pastas drukāšanas formu, lodēšanas pastas drukāšanas daudzumu, atteces temperatūru, atteces laiku, metināšanas izmēru, struktūru un tā tālāk.
3. Lodēšanas pastas drukas reflow metināšanas caurumu ietekmējošo faktoru pārbaude
QFN un tukšo mikroshēmu testi tika izmantoti, lai apstiprinātu galvenos atkārtotas plūsmas metināšanas tukšumu cēloņus un atrastu veidus, kā uzlabot ar lodēšanas pastas iespiestās atkārtotās plūsmas metināšanas tukšumus. QFN un tukšas skaidas lodēšanas pastas reflow metināšanas produkta profils ir parādīts 4. attēlā, QFN metināšanas virsmas izmērs ir 4,4 mm x 4,1 mm, metināšanas virsma ir alvota kārta (100% tīra alva); Tukšās mikroshēmas metināšanas izmērs ir 3,0 mm x 2,3 mm, metināšanas slānis ir izsmidzināts niķeļa-vanādija bimetāla slānis, un virsmas slānis ir vanādijs. Pamatnes metināšanas spilventiņš bija bezelektroniski niķeļa-palādija zelta iegremdēšana, un biezums bija 0,4 μm / 0, 06 μm / 0, 04 μm. Tiek izmantota SAC305 lodēšanas pasta, lodēšanas pastas drukas iekārta ir DEK Horizon APix, atteces krāsns iekārta ir BTUpyramax150N, un rentgena iekārta ir DAGExD7500VR.
QFN un tukšās skaidas metināšanas rasējumi
Lai atvieglotu testa rezultātu salīdzināšanu, reflow metināšana tika veikta saskaņā ar 2. tabulas nosacījumiem.
Reflow metināšanas nosacījumu tabula
Pēc virsmas montāžas un pārplūdes metināšanas pabeigšanas metināšanas slānis tika atklāts ar rentgena staru, un tika konstatēts, ka metināšanas slānī QFN apakšā ir lieli caurumi un tukša mikroshēma, kā parādīts 5. attēlā.
QFN un mikroshēmu hologramma (rentgena starojums)
Tā kā skārda lodītes izmērs, tērauda sieta biezums, atvēršanas laukuma ātrums, tērauda sieta forma, atteces laiks un maksimālā krāsns temperatūra ietekmēs pārplūdes metināšanas tukšumus, ir daudz ietekmējošo faktoru, kurus tieši pārbaudīs DOE tests un eksperimentālo reižu skaits. grupas būs pārāk lielas. Ir nepieciešams ātri pārbaudīt un noteikt galvenos ietekmējošos faktorus, izmantojot korelācijas salīdzināšanas testu, un pēc tam tālāk optimizēt galvenos ietekmējošos faktorus, izmantojot DOE.
3.1 Lodēšanas caurumu un lodēšanas pastas skārda lodīšu izmēri
Ar 3. tipa (lodītes izmērs 25-45 μm) SAC305 lodēšanas pastas testu citi nosacījumi paliek nemainīgi. Pēc pārpludināšanas tiek izmērīti caurumi lodēšanas slānī un salīdzināti ar 4. tipa lodēšanas pastu. Konstatēts, ka caurumi lodēšanas slānī būtiski neatšķiras starp diviem lodēšanas pastas veidiem, kas liecina, ka lodēšanas pastai ar atšķirīgu lodītes izmēru nav acīmredzamas ietekmes uz caurumiem lodēšanas slānī, kas nav ietekmējošs faktors, kā parādīts Fig. 6 Kā parādīts attēlā.
Metāla skārda pulvera caurumu ar dažādu izmēru daļiņu salīdzinājums
3.2 Metināšanas dobuma un apdrukātā tērauda sieta biezums
Pēc pārplūdes metinātā slāņa dobuma laukums tika izmērīts ar apdrukāto tērauda sietu ar biezumu 50 μm, 100 μm un 125 μm, un citi apstākļi palika nemainīgi. Tika konstatēts, ka dažāda biezuma tērauda sieta (lodēšanas pastas) ietekme uz QFN tika salīdzināta ar apdrukāto tērauda sietu ar biezumu 75 μm Palielinoties tērauda sieta biezumam, dobuma laukums pakāpeniski samazinās. Pēc noteikta biezuma (100 μm) sasniegšanas dobuma laukums mainīsies un sāks palielināties, palielinoties tērauda sieta biezumam, kā parādīts 7. attēlā.
Tas parāda, ka, palielinot lodēšanas pastas daudzumu, šķidrā alva ar atteci tiek pārklāta ar mikroshēmu, un atlikušā gaisa izplūdes atvere ir tikai šaura no četrām pusēm. Mainot lodēšanas pastas daudzumu, tiek palielināta arī atlikušā gaisa izplūdes atvere, un tūlītēja gaisa uzplūde, kas ietīta šķidrā alvā vai gaistošā gāze, kas izplūst šķidrā alvā, izraisīs šķidrās alvas izšļakstīšanos ap QFN un mikroshēmu.
Pārbaudē konstatēts, ka, palielinoties tērauda sieta biezumam, palielināsies arī gaisa vai gaistošās gāzes izplūdes izraisītais burbuļu plīsums, kā arī attiecīgi palielināsies iespējamība, ka alvas izšļakstīsies ap QFN un skaidu.
Caurumu salīdzinājums dažāda biezuma tērauda sietā
3.3. Metināšanas dobuma un tērauda sieta atveres laukuma attiecība
Tika pārbaudīta apdrukātā tērauda sieta ar atvēršanas ātrumu 100%, 90% un 80%, un citi nosacījumi palika nemainīgi. Pēc pārplūdes tika izmērīts metinātā slāņa dobuma laukums un salīdzināts ar apdrukāto tērauda sietu ar 100% atvēršanas ātrumu. Tika konstatēts, ka pie atvēršanās ātruma 100% un 90% 80% apstākļos nav būtiskas atšķirības metinātā slāņa dobumā, kā parādīts 8. attēlā.
Dažādu tērauda sietu dažādu atvēruma laukumu dobuma salīdzinājums
3.4 Metināts dobums un apdrukāta tērauda sieta forma
Ar sloksnes b lodēšanas pastas un slīpā režģa c drukas formas pārbaudi citi nosacījumi paliek nemainīgi. Pēc pārplūdes tiek izmērīts metināšanas slāņa dobuma laukums un salīdzināts ar režģa a apdrukas formu. Konstatēts, ka režģa, lentes un slīpa režģa apstākļos nav būtiskas atšķirības metināšanas slāņa dobumā, kā parādīts 9. attēlā.
Caurumu salīdzinājums dažādos tērauda sietu atvēršanas režīmos
3.5. Metināšanas dobums un atteces laiks
Pēc ilgstošas atteces laika (70 s, 80 s, 90 s) testa citi apstākļi paliek nemainīgi, tika izmērīts caurums metināšanas slānī pēc atteces un, salīdzinot ar atteces laiku 60 s, tika konstatēts, ka, palielinoties atteces laiks, metināšanas cauruma laukums samazinājās, bet samazinājuma amplitūda pakāpeniski samazinājās, palielinoties laikam, kā parādīts 10. attēlā. Tas parāda, ka nepietiekama atteces laika gadījumā atteces laika palielināšana veicina pilnīgu gaisa pārplūdi. ietīts izkausētā šķidrā alvā, bet pēc atteces laika palielināšanās līdz noteiktam laikam šķidrā alvā ietītais gaiss ir grūti atkal pārplūst. Atteces laiks ir viens no faktoriem, kas ietekmē metināšanas dobumu.
Nederīgs dažādu atteces laika garumu salīdzinājums
3.6. Metināšanas dobums un maksimālā krāsns temperatūra
Ar 240 ℃ un 250 ℃ maksimālās krāsns temperatūras testu un citiem apstākļiem nemainīgiem, metinātā slāņa dobuma laukums tika izmērīts pēc pārplūdes, un, salīdzinot ar 260 ℃ maksimālo krāsns temperatūru, tika konstatēts, ka dažādos krāsns maksimālās temperatūras apstākļos, metinātais QFN un mikroshēmas slānis būtiski nemainījās, kā parādīts 11. attēlā. Tas parāda, ka atšķirīgai krāsns maksimālā temperatūrai nav acīmredzamas ietekmes uz QFN un caurumu mikroshēmas metināšanas slānī, kas nav ietekmējošs faktors.
Nederīgs dažādu maksimālo temperatūru salīdzinājums
Iepriekš minētie testi liecina, ka nozīmīgi faktori, kas ietekmē QFN un mikroshēmas metinājuma slāņa dobumu, ir atteces laiks un tērauda sieta biezums.
4 Lodēšanas pastas drukas reflow metināšanas dobuma uzlabošana
4.1 DOE tests, lai uzlabotu metināšanas dobumu
Caurums QFN un skaidas metināšanas slānī tika uzlabots, atrodot galveno ietekmējošo faktoru (atteces laiks un tērauda sieta biezums) optimālo vērtību. Lodēšanas pasta bija SAC305 type4, tērauda sieta forma bija režģa tipa (100% atvēršanas pakāpe), maksimālā krāsns temperatūra bija 260 ℃, un citi testa apstākļi bija tādi paši kā testa aprīkojumam. DOE tests un rezultāti parādīti 3. tabulā. Tērauda sieta biezuma un atteces laika ietekme uz QFN un skaidu metināšanas caurumiem parādīta 12. attēlā. Veicot galveno ietekmējošo faktoru mijiedarbības analīzi, ir konstatēts, ka, izmantojot 100 μm tērauda sieta biezumu. un 80 s atteces laiks var ievērojami samazināt QFN un mikroshēmas metināšanas dobumu. QFN metināšanas dobuma koeficients ir samazināts no maksimālajiem 27,8% līdz 16,1%, un mikroshēmas metināšanas dobuma koeficients ir samazināts no maksimālajiem 20,5% līdz 14,5%.
Pārbaudē tika ražoti 1000 izstrādājumi optimālos apstākļos (100 μm tērauda sieta biezums, 80 s atteces laiks), un nejauši tika mērīts metināšanas dobuma ātrums 100 QFN un mikroshēma. Vidējais QFN metināšanas dobuma koeficients bija 16,4%, un mikroshēmas vidējais metināšanas dobuma koeficients bija 14,7%. Mikroshēmas un mikroshēmas metināšanas dobuma ātrums ir acīmredzami samazināts.
4.2 Jaunais process uzlabo metināšanas dobumu
Faktiskā ražošanas situācija un tests liecina, ka tad, ja metināšanas dobuma laukums mikroshēmas apakšā ir mazāks par 10%, svina savienošanas un formēšanas laikā mikroshēmas dobuma pozīcijas plaisāšanas problēma neradīsies. DOE optimizētie procesa parametri neatbilst prasībām, lai analizētu un atrisinātu parastās lodēšanas pastas atkārtotas plūsmas metināšanas caurumus, un ir vēl vairāk jāsamazina mikroshēmas metināšanas dobuma laukums.
Tā kā uz lodmetāla pārklātā mikroshēma neļauj izplūst gāzei lodmetālā, caurumu skaits mikroshēmas apakšā tiek vēl vairāk samazināts, novēršot vai samazinot lodēšanas pārklājuma gāzi. Tiek pieņemts jauns atkārtotas plūsmas metināšanas process ar divu lodēšanas pastas drukāšanu: viena lodēšanas pastas drukāšana, viena pārpludināšana, kas nepārklāj QFN, un tukša mikroshēma, kas izvada gāzi lodmetālā; Sekundārās lodēšanas pastas drukāšanas, plākstera un sekundārā refluksa specifiskais process ir parādīts 13. attēlā.
Kad 75 μm bieza lodēšanas pasta tiek drukāta pirmo reizi, lielākā daļa lodmetālā esošās gāzes bez skaidu vāka izplūst no virsmas, un biezums pēc atteces ir aptuveni 50 μm. Pēc primārā atteces pabeigšanas uz atdzesētā sacietētā lodmetāla virsmas tiek uzdrukāti nelieli kvadrātiņi (lai samazinātu lodēšanas pastas daudzumu, samazinātu gāzes izšļakstīšanos, samazinātu vai novērstu lodēšanas šļakatas), un lodēšanas pasta ar biezums 50 μm (iepriekš minētie testa rezultāti liecina, ka 100 μm ir vislabākais, tāpēc sekundārās drukas biezums ir 100 μm.50 μm=50 μm), pēc tam uzstādiet mikroshēmu un pēc tam atgriezieties 80 s. Pēc pirmās drukāšanas un pārpludināšanas lodmetālā gandrīz nav cauruma, un otrajā drukā lodēšanas pasta ir maza, un metināšanas caurums ir mazs, kā parādīts 14. attēlā.
Pēc divām lodēšanas pastas izdrukām, dobs zīmējums
4.3. Metināšanas dobuma efekta pārbaude
Izgatavojot 2000 izstrādājumus (pirmās drukas tērauda sieta biezums ir 75 μm, otrās apdrukas tērauda sieta biezums ir 50 μm), pārējie nosacījumi nemainīgi, izlases veidā mērot 500 QFN un mikroshēmu metināšanas dobuma ātrumu, konstatēts, ka jaunais process pēc pirmā refluksa nav dobuma, pēc otrā refluksa QFN Maksimālais metināšanas dobuma koeficients ir 4,8%, un mikroshēmas maksimālais metināšanas dobuma koeficients ir 4,1%. Salīdzinot ar oriģinālo vienas pastas drukāšanas metināšanas procesu un DOE optimizēto procesu, metināšanas dobums ir ievērojami samazināts, kā parādīts 15. attēlā. Pēc visu izstrādājumu funkcionālajām pārbaudēm netika konstatētas skaidu plaisas.
5 Kopsavilkums
Lodēšanas pastas drukāšanas daudzuma un atteces laika optimizēšana var samazināt metināšanas dobuma laukumu, taču metināšanas dobuma ātrums joprojām ir liels. Izmantojot divas lodēšanas pastas drukāšanas reflow metināšanas metodes, var efektīvi un maksimāli palielināt metināšanas dobuma ātrumu. Masveida ražošanā QFN ķēdes tukšās mikroshēmas metināšanas laukums var būt attiecīgi 4,4 mm x 4,1 mm un 3,0 mm x 2,3 mm. Atkārtotas plūsmas metināšanas dobuma ātrums tiek kontrolēts zem 5%, kas uzlabo atkārtotas plūsmas metināšanas kvalitāti un uzticamību. Pētījums šajā rakstā sniedz svarīgu atsauci, lai uzlabotu metināšanas dobuma problēmu liela laukuma metināšanas virsmā.
Izlikšanas laiks: 05.07.2023
